风力发电对电力系统一次调频的影响及解决措施

马 进，王 闯

（中广核新能源投资（深圳）有限公司辽宁分公司，辽宁 沈阳110000）

近年来，在国家政府、发电商、电网公司、全体电力用户的多方努力下，我国新能源行业得到了迅速的发展，并在新时代提出了“双碳”目标。伴随着常规机组被新能源发电机组大量替代，新的挑战又一次摆在电网安全运行的面前。多年前，国外就开始了新能源发电装机的大规模投入，盲目追求清洁能源的发展，忽视了新能源的弊端，导致发生了一些大停电事故。

清洁能源发电设备中包含了成千上万的电力、电子、机械设备，电能质量耐受标准相对较低。所以，在系统电压、频率、波形发生较大波动时，清洁能源发电设备容易发生大规模解列，使故障范围扩大。另外，与传统同步电网不同的是，电力、电子设备的快速响应特征，以工频作为同步电网的基础，相对稳定。但是电力电子设备的灵活性，产生了宽频带，可达到5～300Hz，由此产生了新的振荡稳定问题。

面对这样的问题，新能源机组并网标准的完善，以及涉网性能标准，依靠电力、电子设备的灵活运用，动态有功、无功调节能力在新能源场站本身的优势下将发挥重要作用。为了防止新能源机组大规模脱网引发的连锁故障，并网的新能源场站必须参与一次频率调整、电压调整。这样，新能源的发展才能得到保障，降低电网运行风险，保障供电可靠性。

1 风电的发展

1.1 风电发展的现状

2020年，是我国“十三五”规划的最后一年，也是实现国家对清洁能源消纳问题的三年行动计划目标的最后一年。面对崭新的“十四五”规划，我们国家的发展依旧很强大，新增容量有翻倍的希望。全网总装机中新能源发电的占比不断增加。由于新冠肺炎疫情在全球蔓延，严重影响了电力需求，需要多方面合力、多种措施并举，保证新能源发展。风电发展前景广阔。

1.2 我国风力发电产业的发展目标

我国清洁能源发电总计的并网容量预计在2025年会超过7.5亿千瓦，全国电源总装机中光伏及风电总发电所占的比例将可能超过26%。

2 大规模清洁能源发电带来的挑战

2.1 对系统备用容量的影响

大规模发展清洁能源发电，电力系统对备用容量的需求大增。所以，备用容量的配置对电力系统的支撑是十分必要的。这种功率不平衡现象会受到风电的随机性波动而加剧。虽然风电预测系统准确性渐渐提高，但随着全球气候的变化，世界各地极端天气时有发生，我们人类的预测系统在大自然面前显得微不足道，所以电力系统的稳定运行离不开更大的火电机组、水电机组，这些机组提供的旋转备用容量可以保证电力系统更加可靠地运行。

2.2 对频率质量和稳定性的影响

大规模风电的并网的同时，部分火力发电机组逐步退出运行。这不仅使电力系统中的惯性响应能力下降，也使一次调频能力降低。双馈型风机和直驱型风机是现有风电机组中的主流机型，其并网原理为通过变频器的调整达到并网标准后并网发电，对转速的要求较低。

因此，风电场如果代替常规发电企业，就需要具备惯性的响应、一次频率的调整和二次频率的调整等辅助功能。保证电力系统正常运行，可降低风电并网后对系统稳定性和系统频率质量的影响。

2.3 对电能质量的影响

气候的变化使风资源的不确定性增加，这直接影响了风电机组的发电出力，导致风力机输出功率出现波动。在某种角度上来说，它也会影响电网的电能质量，例如电压波动和闪变、电压的偏差、产生谐波和周期性电压的脉动等。

2.4 对电力系统运行的影响

通常情况下，由于电力系统特殊的运行情况，风电机组距并网点的距离大不相同，在末端位置的机组就会有一定的不稳定因素，电力系统的潮流分布就受到了影响。在大部分电网设计的早期是没有考虑这些的。风机的装机规模越来越大，配电网电压及并网点功率的波动逐步增大，就有可能达到甚至超过临界值，严重的波动如果不能及时切除，就会进一步引起电网电压严重失调乃至崩溃，最终导致系统解列，造成大规模停电。

当风电机组的运行方式为异步型发电机状态时，处于发电状态的风电机组就会源源不断地向电网输出有功功率。由于电力系统的同步性，风电机组还需要从电网中持续吸收无功功率。被风机吸收的无功功率必须得到补偿，这里就需要无功补偿设备的调节，现阶段比较常用的是动态无功补偿装置，与其配合使用的部分情况还会配合一定容量的并联电容器组。功率恢复性是异步型发电机的一种特性，当系统发生短路故障时，如果保护装置不能将故障点及时切除，也同样会出现暂态电压异常波动的运行状态。随着清洁能源场站新增装机的不断提高，小火电厂正在逐渐减少，电力系统受到新能源场站不稳定输出功率的影响进一步增加，当电力系统运行平衡达到不能控制的情况就会发生大规模脱网事故。

2.5 对保护装置的影响

风电机组的并网频次是工程师最初设计好的，如果因为新的要求，其他控制系统接入后，导致风机并网接触器频繁开关时，接触器损坏的概率将大大增加。风电机组在并网状态前，当轮毂高度处风速逐渐增加，达到起动风速时，该临界条件情况下，风电机组就会以电动机模式短暂运行，导致电网与风电机组联络线的潮流不稳定。因此，应考虑风电机组继电保护装置的配置以及定值的整定。

2.6 对电力调度的影响

电力系统调度部门发电计划的制定，是根据负荷分配情况及电源可靠性情况综合制定的。当清洁能源容量发展到一定程度的时候，以前的调度方式不能满足现阶段的实际情况，会给风电的随机性和不可预测性带来困难，影响系统的调峰难度。现阶段，国家对风电等可再生能源的优先消纳政策的实施，加之火电机组减出力要求、供热机组的运行等多方面因素，进一步加大了调度部门调度管理的难度。

3 风力发电调频技术

3.1 新能源场站一次调频的功率调节量要求（见图1）

图1

（1）新能源场站一次调频功率下调范围应不低于20%Pn（Pn为新能源场站额定功率，下同），转差率暂取2%（参数可调），场站功率下调至10%Pn后可不再向下调节。

（2）新能源场站一次调频功率上调调节能力应不低于10%Pn，转差率暂取5%（参数可调）。

（3）新能源场站一次调频期间应维持风电机组、光伏逆变器正常运行，避免机组脱网或停机。

对于新能源场站来说当电网频率偏差超过一次调频死区时，场站所提供的一次调频服务应满足如下要求：

（1）一次调频稳定时间：从系统频率超出调频死区开始到有功功率稳定在预设功率误差范围内（±2%Pn）的最短时间，风电、光伏均不大于5s。

（2）一次调频有功功率控制偏差：一次调频有功功率控制偏差为场站额定有功的±2%。

（3）一次调频死区：暂取±0.05Hz（参数可调）。

3.2 风电场一次调频功率控制

现阶段主流风机类型有两种：一是双馈型风机，二是直驱型风机，这两种风机都属于变速类型的风电机组。风机发出的电能经过变频器后，得到可以实现并网标准的电压、频率、波形等，最终实现稳定并网发电。双馈型风机的特点是转子的电磁转速是可以在系统同步转速的30%以内波动；直驱型风机的特点是转子的电磁转速是可以在系统同步转速的30%以外波动，范围会更大。此外，为提高发电量和发电效率，风机运行于最大功率点附近，风机大多采用最大风能捕获控制，调频所需的备用容量无法提供，特别是在频率降低，需要向上调节时。

清洁能源发电系统早期通信协议是比较落后的，而且其功率控制逻辑是限负荷等特殊情况下的一种调节出力的手段，这样是不能满足风电场参与新形势下的一次调频功能的调节要求。为了更好地满足一次调频要求，提高调频特性，风电机组主控系统需具备相应功率控制逻辑和快速通信协议接口。

一次调频控制系统根据电网测量数据进行全场有功调频支撑，将目标指令发给风电场能量管理平台，由风电场能量管理平台合理分解下发给单台风机，一次调频有功指令与传统的AGC有功指令在一次调频系统内产生叠加。风电场升压站的有功功率的控制目标为AGC有功指令和一次调频调节量代数和；当电网频率超出调节死区后，会闭锁AGC反向调节指令。

风电场一次调频控制系统原理拓扑图，如图2所示。

图2

3.3 发电机转子超速控制

控制发电机转子超速运行的方式，其基本原理为：通过相关系统的协调控制，调节桨距角等变量，使风机运行在最大出力以下，这样使得没有满发的多余的一部分有功功率预留出来，就相当于预留出一部分备用容量。这些备用容量用于参与一次调频中，当系统频率下降时，通过控制器将备用容量按照一定的速率发出，达到提高系统频率的作用。

其特点是，参与系统一次频率调节时，其响应速度快，对风机本身机械性能的影响小，但是控制区域不全面。在额定风速情况，风机处于满发状态，功率不变，转子转速无法提高，所以额定风速以下的运行状态适合用超速控制。但利用这样的减小出力的发电状态，风机就不能运行在最佳的风能利用效率下，这样就从某种程度上减少了风电场的发电量，同时也降低了风机的可利用率，同步影响的还有风机的功率曲线等一系列风机相关指标。

3.4 调节风机叶片角度控制

控制风机桨距角的方式叫做调节风机叶片角度控制。调节桨叶的迎风角度，可以控制风能输入的机械能量大小，计算出最大功率点后，让风机的桨距角大于最佳的发电运行桨距角。风况不变的情况下，机组的备用容量越多，桨距角就越大。

其特点是，不仅调节能力强而且调节的范围还大，可实现各种风速下对功率的控制。但是由于其执行机构是机械的变桨系统，所以响应速度相对较慢；频率调整较为频繁，使桨距角变化也会过于频繁，会加剧机组的机械磨损，缩短运行寿命。当实际风速大于额定风速时，变桨控制的作用更大，当系统频率下降时，变桨控制产生的备用支撑频率会较为有效，其响应时间也必将迅速。

3.5 组合控制

根据各种调频方式的特点，在组合控制研究方面，分风速区段控制。在低风速时：通过变桨控制策略实现频率调节；在中风速时：则采用降低负载运行产生一部分有功功率备用的容量；在高风速时：采用改变叶轮转速的设定点或者调节风机叶片角度控制，用以产生一部分预留的容量，将其储备起来，当需要的时候再将该部分预备容量释放出来。

综上，不同的控制策略都有着各自的优缺点，风力发电机组的运行需要综合考虑风速变化和机组运行状态的影响，在实际运行中多数控制方式均难以达到要求。因此，现阶段可实施的控制方式为上述第一种一次调频功率控制方式及要求。

4 结论

随着时代的发展，加之我国风电装机规模的逐年增加，电网建设成为制约风电发展新的“瓶颈”。为此，清洁能源发电被视为电网未来规划的重要发电电源之一，合理分配规划投运火电、水电等传统电源，安全稳定运行核电，根据地域资源规划风电、光伏，新型的光热发电也要统筹考虑全面。这样全面的电源接入，可以使电力系统从电源类型上优化电网整体的性能，包括安全性、可靠性、稳定性、经济性，电力系统的稳定运行给社会带来更好的发展空间。

本文简明扼要地介绍了风力发电机组的运行特点，也对清洁能源现阶段的发展情况以及未来的发展方向做了简洁明了地分析，介绍了风力发电机组的基本运行原理，也分析了风电场装机容量的大幅度增加对电网带来的影响。重点介绍了风力发电大规模并网对电力系统一次调频的影响及解决措施。需要明确，提高风电机组的可信容量系数是从根本上解决风力发电的电网接入问题的重要手段，这样备用容量对电力系统的影响相对来说就会降低，对整个电力系统来说都是十分有必要的。

时代的发展推动了人类的进步，电力系统也是一样，新的时代就要有新的改变，一味地寻求快速发展，必将带来新的问题。我们要做的就是顺应这些变化，解决产生的问题，才能有更多的高新科技研发出来，相信新能源的明天一定会更加光明。